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安德森空气动力学课件10-2

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空气动力学基础 安德森 双语

空气动力学基础 安德森 双语

空气动力学基础安德森双语引言空气动力学是研究空气对物体运动的影响的学科，它在航空航天工程、汽车工程、建筑设计等领域都有广泛的应用。

本文将以安德森的《空气动力学基础》为基础，通过双语方式探讨空气动力学的基本概念、原理和应用。

空气动力学概述什么是空气动力学•空气动力学是研究空气对物体运动的影响的学科。

•它主要研究空气动力学力学、空气动力学热力学和空气动力学光学等方面的问题。

空气动力学的应用领域•航空航天工程：研究飞机和火箭等飞行器的设计和性能。

•汽车工程：研究汽车的空气动力学性能，提高汽车的操控性和燃油经济性。

•建筑设计：研究建筑物的空气流动，改善室内空气质量和降低能耗。

空气动力学基本原理流体力学基础1.流体的定义：流体是指能够流动的物质，包括液体和气体。

2.流体的运动描述：流体的运动可以通过速度场和压力场来描述。

3.流体的运动方程：流体的运动可以由连续性方程、动量方程和能量方程描述。

空气动力学力学1.空气动力学力学的基本原理：空气动力学力学研究空气对物体的力学作用。

2.升力和阻力：升力是垂直于飞行器运动方向的力，阻力是与飞行器运动方向相反的力。

3.升力和阻力的计算：升力和阻力可以通过气动力系数和流体动力学原理进行计算。

空气动力学热力学1.空气动力学热力学的基本原理：空气动力学热力学研究空气对物体的热力学作用。

2.空气的物理性质：空气的物理性质包括密度、压力和温度等。

3.空气的热力学过程：空气的热力学过程可以通过气体状态方程和热力学原理进行描述。

空气动力学光学1.空气动力学光学的基本原理：空气动力学光学研究空气对光的传播和折射的影响。

2.折射现象：当光线从一个介质传播到另一个介质时，会发生折射现象。

3.折射定律：折射定律描述了光线在折射过程中的角度关系。

空气动力学的应用航空航天工程中的应用1.飞行器设计：空气动力学原理用于飞行器的气动外形设计和性能评估。

2.飞行力学：空气动力学原理用于飞行器的姿态控制和飞行性能分析。

《空气动力学》大气物理学 ppt课件

《空气动力学》大气物理学 ppt课件

ppt课件
31
水平风
零度
水平风
同温层
20km 11km
ppt课件
32
中间层、电离层的特点
中间层的特点
中间层从离地面50公里到80公里为止。
空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。
空气在垂直方向有强烈的运动。
电离层(热层)的特点
中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。
空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性， 能吸收、反射和折射无线电波。
同温层之上随着高度的增加，温度逐步升高，直到顶 部温度升高到00C左右。
在平流层中，空气只有水平方向的流动。空气稀薄， 几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流 层。空气质量占整个大气的四分之一不到。
大气能见度好，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。 现代喷气式客机多在11-12km的平流层底层（巡航）飞 行。
ppt课件
22
1.1 大气的重要物理参数
温度升高， 气体粘度系 数增大。
温度升高， 液体粘度 系数减小。
气体
液体
粘度系数ppt随课件温度变化情况
23
1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特 性。
流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即 在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越 大的物质，可压缩性就越大。
105 (千克/ 米秒)
1.780 1.749 1.717 1.684 1.652 1.619 1.586 1.552 1.517 1.482 1.447 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.912 2.047 1.667

汽车空气动力学ppt课件

汽车空气动力学ppt课件
8
2.5 分离现象与涡流
图所示是物体表面各部位的速度梯度的情况。从a到最 大截面d空气流速逐渐增加，而流过最大截面后，流 速又逐渐减少。由于空气附面层的粘性，e、f、g的流 速已不可能与c、b、a的流速对称，而是更慢，在k处 就使得某微层的速度为零，k以下的微层发生倒流现象， 产生涡流。
分离和涡流耗费能量，使阻力增大。
12
迎风面积的定义
13
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
气动力分量：Ｆx气动阻力、Ｆy侧向分力、Ｆz气动升力。
相应的阻力系数Ｃd、侧力 系数Ｃy、升力系数Ｃz
14
3、汽车行驶时受到的气动力和力矩
3.2 气动力矩
气动力的三个分力转化到汽车的质心上，则气动力矩如下： 纵倾力矩又称附仰力矩Ｍy
M y Fx Zc Fz X c pq S (Cd Zc Cz X c ) pq SLCMy
30
实际应用
31
较成功的整体气动造型轿车
32
33
34
35
气流速度V
边界条件气流速度为零 边界条件气流速度为零
边界条件出 口压力p
边界条件气流速度为零
36
参数设置：气流属性＼大气环境参数＼迭代参数等
37
38
39
40
汽车最优化设计过程
41
车头边角对CD的影响
42
车头流线型式对CD的影响
17
无粘流绕二元圆柱的流动
18
粘流绕二元圆柱的流动
19
车身表面压强分布特性
20
4、汽车气动阻力的组成
2、摩擦阻力 它是由于空气的粘滞性在车身表面所产生的摩擦力， 其数值取决于车身表面的面积和光滑程度，约占气动 阻力的9％左右。

第 4 章 空气动力学基础 ppt课件

第 4 章 空气动力学基础 ppt课件
第四章 空气动力学基础
汽车系统动力学
1
第一节 概述
当汽车在空气中运动时，会受到空气的作用 力，空气动力随车速的增加而迅速增加，从 而对汽车高速行驶时的动力学性能有着显著 的影响。
研究的主要内容：对车外流和对车内流 研究的目的：减少风阻、提高侧风稳定性、
提高发动机进气管道的效率等等。
汽车系统动力学
18
综上所述，所讨论的流体微团总能量为压力能 与动能之和，即：
(
pV0
)

(
1 2
V0v2
)
汽车系统动力学
19
为便于处理，通常以单位体积计算其总能量，等
于：
p 1 v2
2
上式第一项为静压，通常以气流压强表示静压， 第二项定义为动压q。
汽车系统动力学
20
伯努利方程表达了在理想流场中沿流束 的能量守恒定律，即流体静压和动压之 和为常数：
pT 0 p0 T0
式中，p为大气压强，单位为Pa T为热力学温度，单位为K
为空气密度，单位为kg/m3
下标“0”表示标准状态或任一初始状态
汽车系统动力学
9
1、空气密度随温度的变化
大气温度或某局部条件变化都会导致空气温度变化。 在压力不变的情况下，温度变化引起的空气密度变化 可由初始绝对温度与当前热力学温度的比值乘以初始 空气密度求得。
p q H 常量
汽车系统动力学
21
当气流与物体相对运动时，环绕物体的气流 总会被分成两个或更多的方向流动，如图4-4 所示的分流点O为驻点，其压力等于静压与动 压之和，称为驻点压力。
汽车系统动力学
22
第四节 压力分布和压力系数
一、压力分布

空气动力学基础PPT课件(共10单元)第8章

空气动力学基础PPT课件(共10单元)第8章

p x
vx
vz x
vy
vz y
vz
vz z
1
vx2 a2
2 x2
1
vy2 a2
2 y2
1
vz2 a2
2 z 2
2
vxvy a2
2 xy
2
vyvz a2
2 yz
2
vzvx a2
2 zx
0
21:58
9
第八章 绕翼型的可压缩流动
§8-1速度位方程 §8-2小扰动线化理论 §8-3亚声速流中薄翼型气动特性 §8-4超声速流中的翼型
§8-1速度位方程
速度位方程
1 ）低速不可压
2 0
拉普拉斯方程
2 2 2
0 x2 y2 z2
2 ）高速可压
连续方程 定常流 等熵流
21:58
vx vy vz 0
t x
y
z
vx
x
vy
y
vz
z
vx x
vy y
vz z
0
1 p 1 p 1 p
x
a2
小扰动下，厚度、弯度很小
f
(vy ) y0
y
y0
v
x
21:58
14
第八章 绕翼型的可压缩流动
§8-1速度位方程 §8-2小扰动线化理论 §8-3亚声速流中薄翼型气动特性 §8-4超声速流中的翼型
21:58
15
第八章 绕翼型的可压缩流动
§8-3亚声速流中薄翼型气动特性
流动特点
在翼型上下流管收缩处，亚声速 的流线在竖向受到的扰动的扩张， 要比低速不可压流的流线为大
vz x
vx z
0

空气动力学课件.

空气动力学课件.

差分网格
x
tn+1 tn tn-1 xj-1 xj
xj,tn
离散介质模型 离散自变量函数 空间区域 有限离散点集合 自变量连续变化区域 有限差分方程组 u u a 0, u x, 0 f x 一阶双曲型线性微分方程 t x n n n 1 n u u u u j j n 1 n 2 t u u t O t O t j j t t j t j
u0 j fj
0.2
空气动力学的研究对象
相对飞行原理（空气动力学实验原理）
当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气
的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空 气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效 的。
0.2
空气动力学的研究对象
相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利。人们 在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造
17-20世纪理想流体力学的发展
莱布尼慈简介 莱布尼慈，德国著名的哲学家和数学家 （Leibniz，1646-1716）。1646年7月 生于莱比锡一个名门世家，其父亲是 一位哲学教授。莱布尼慈从小好学， 一生才华横溢，在许多领域做出不同 凡响的成就。在数学方面最大的成就 是发明了微积分，今天微积分中使用 的符号是莱布尼慈提出的。后来为了 与牛顿争发明权问题，他们之间进行 了一场著名的争吵。莱布尼慈自定发 明权时间1674年，牛顿1665-1666年。 这场争论使英国与欧洲大陆之间的数 学交流中断，严重影响了英国数学的 发展。
直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到 的空气动力，进行试验空气动力学研究。
在理论上，对飞行器空气绕流现象和受力情况进行分析

空气动力学chapter10(1)

空气动力学chapter10(1)

示的无限小控制体上。气流
p
在站位1，面积为A处流入控
A
制体， p、 ρ 、u分别为此
站位的压强、密度和速度； 在站位2流出控制体，x坐标
u ρ
p+dp A+dA u+du ρ+ dρ
增加了dx，面积为A+dA，压
强、密度、速度分别为p+dp、
dx
ρ+dρ 、u+du。
12
对照方程:
p1A1 1u12 A1
我们将微分形式的连续方程 d (uA) 0 (10.14)展开，
udA Adu Aud 0
同乘以速度u: u2dA uAdu Au2d 0 (10.17)
(10.16)-(10.17)得:
dp udu
(10.18)
方程（10.18）是定常、无粘、准一维流动的微分形 式动量方程，这一方程也被称为欧拉方程。

2u2 A2 (e2

u22 2
)
(10.7)
p1
1
e1

u12 2

p2
2
e2
u22 2
h1
u12 2

h2

u22 2
•状态方程:
h0 常数
p2 2RT2
•对于量热完全气体焓与温度的关系为:
h2 c pT2
(10.8) (10.9) (10.10) (10.11) (10.12)
dp
d

(
p

)
s
（10 .22)
由第八章知识，我们知道：
即：
(
p

)

空气动力学基本概念169页PPT

空气动力学基本概念169页PPT
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
空气动力学基本概念
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯

[精选]mmmm空气动力学原理资料PPT课件

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14
• 当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做 功；当平板在阻力作用下运动，气流才对 平板做功；如果平板运动速度方向与气流 相同，气流相对平板速度为零，则阻力为 零，气流也没有对平板做功。一般说来受 阻力运动的平板当速度是气流速度的20% 至50%时能获得较大的功率。
• 当平板与气流方向平行时，平板受到的作 用力为零（阻力与升力都为零）
方气流的吸力，这些力可用一个合力来表 示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线） 的交点即为翼片的压力中心。对于普通薄 翼型，在攻角在5至15度时，压力中心约在 翼片前缘开始的1/4的位置。
26
27
28
翼的俯仰力矩
M12CMAv2L
翼的俯仰力矩系数
CM
1 2
M
Av2
L
L-翼的弦长
(苏绍禹)
29
• 相对风速 • 下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运
动时，叶片感受到的风速称为相对风速w→， 它是叶片的线速度（矢量）u→与风进叶轮 前的速度（矢量）v→的合成矢量 • w→=u→+v→
30
31
32
33
学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
• 3）在势流场中，沿任意封闭曲线的速度环量为零。
2
• 2.流函数 • 1）流函数的等值线与流线重合 • 3.平行流 • 就是流体质点以相同的速度相互平行地作
等速直线运动。
• 存在速度势
3
• 当φ＝常数时，x＝常数，所以等势线是x＝ c的一族与y轴平行的直线。
• 存在流函数
4
平行流的等势线和流线图
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CHAPTER 10 COMPRESSIBLE FLOW THROUGH NOZZLES, DIFFUSERS, AND WIND TUNNELS 通过喷管、扩压器和风洞的可压缩流
亚音速区 跨音速区 喉道
燃烧室
收缩段 扩张段
环境压力 喷管
出口压力 出口速度
超音速区
10.1 引言 要观察超声速下飞行器的气动特性及流场细节，包括激 波、膨胀波的构型，主要可以采用以下两种方法：
（choking），流过管道的质量流量保持不变。
M <1 → M ↓
M =0（滞止状态） 没
M =∞（最大等 熵膨胀状态）
2、扩张管道中
M ＞1 → M ↑
问 题
音速流进入扩张管道 M1=1 dA>0
M2=?
■假设马赫数减小
M1=1 dM<0
Fig.10.7 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow
把上面的积分结果代入我们前面已给出的x方向动量方程：
pd S ( V d S )u - S
S
x
(10.3)
得：
u A1 2u A2 p1 A1 p2 A2
超声速流在收敛管道中 是压缩减速的
结论：
流动的加速（du>0）和膨胀(dp<0)总是同时发生的， 即膨胀加速流动； 使流动发生膨胀加速变化的管道称为喷管（nozzle）.
流动的减速（du<0）和压缩(dp>0)总是同时发生的，
即压缩减速流动； 使流动发生压缩减速变化的管道称为扩压器(diffuser).
(10.6)
应用于图10.5所示的控制体，我们得到：
u1 u2 1 (e1 )(u1 A1 ) 2 (e2 )(u2 A2 ) ( p1u1 A1 p2u2 A2 ) 2 2
2 2 2 2
u1 u2 ) 即：p1u1 A1 1u1 A1 (e1 ) p2u2 A2 2u2 A2 (e2 (10.7) 2 2
1
x
- pdS x的积分 :
S
-
pd S A
2
x
( p2 )( A2 ) p2 A2
( p1 )( A1 ) p1 A1
dA α α
dS
dS
( pdS) x pdA pdA
Aul A1 A1
A2
A2
( pdS) x pdA
■假设马赫数保持不变 M保持不变 M≡1 矛盾
dA<0是物理要求 流动必然发生变化
结论： 1、亚声速流不可能通过收缩管道连续地加速到超声速 流；超声速流也不可能通过收缩管道连续地减速到亚 声速流； 2、如果在收缩管道中出现M=1，则此时一定是收缩管 道的出口位置；也就是收缩管道的最小截面位置；
3、如果收缩管道中出现M=1，此时称为壅塞状态
3、上述关系可以描述为截面积的变化dA对流动参 数变化的影响； 4、我们可以利用积分形式的控制方程推导微分形 式的控制方程。
• 准一维流动的微分(differential)形式控制方程的推导：
[1] 微分形式连续方程：
② ① p A u ρ dx p+dp A+dA u+du ρ+ dρ
d ( uA) 0
PART 3 Inviscid, Compressible Flow
主讲：邓 磊
E-mail: leideng@ 18 February 2016
Department of Fluid Mechanics, School of Aeronautics, Northwestern Polytechnicl University, Xi’an, China
在变截面管道流动中，M=1在什么情况下可能出现？ M <1 M ＞1
1、在收缩管道中 dA<0
M↑ M↓
Ｍ＝１
Ｍ？
声速流动进入收缩管道
M=1
dA<0
M?
■假设马赫数减小
M1=1 dM<0
M2<1
M2<1 dA<0
dM>0
矛盾
■假设马赫数增加
M1=1 dM>0
M2>1
M2>1 dA<0
dM<0
矛盾
图10.3 第十章的路线图
10.2 GOVERNING EQUATIONS FOR QUASI-ONEDIMENSIONAL FLOW （准一维流的控制方程）
•准一维流（变截面一维等熵流动）
基本假设： 1、面积变化不剧烈(等熵流动)；
2、面积的变化是流动参数变化的唯一驱动；
3、一维定常流动； 4、忽略摩擦、传热、彻体力等。 在以上假设下，流动是绝热无摩擦的等熵流动。

dS )u u1 ( A1 )u1 1u1 A1
2

( V
A2

dS )u u2 ( A2 )u2 2u2 A2
2

Fig.10.7 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow
-
pdS A
2）管道入口和出口处的压力条件（力学条件）
的变化规律。
Development of the governing equations for quasi-one-dimensional flow (准一维流动控制方程的推导)
Nozzle flows(喷管流动)
Diffuserstunnels (超音速风洞)
du>0,u↑ dp<0,p↓
dA>0
du<0,u ↓ dp>0,p ↑
亚声速流在收敛管道中 dA ( M 2 1) du 亚声速流在扩张管道中 A u 是膨胀加速的 是压缩减速的
dA>0
du>0,u↑ dp<0,p↓
dA<0
du<0,u ↓ dp>0,p↑
超声速流在扩张管道中 是膨胀加速的
密度变化与压力变化规律相同。
dp udu
d du M u
2
dp M 2 dA p 1 M 2 A
可作为课后练习。
dA du 2 ( M 1) A u
1、 对于 0 M 1 （亚音速流动）：
(10.25)
面积增加（正dA）
面积减小（负dA） 2、 对于
速度减小（负du）--压缩
真正一维流动连续方程为：
注意准一维流动与真正一维流动的区别：
d ( u ) 0
面积-速度关系式(area-velocity relation) dp udu 连续方程
d ( uA) 0
展开
dp
udA Adu Aud 0
同÷ρuA
dp d udu d
A2

dS

2u2 A2
Fig.10.5 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow
•连续方程:
V dS 0
S
1u1 A1 2u2 A2
(10.1)
•动量方程
在定常、无粘、忽略体积力作用的假设下, 积分形式的
为什么在亚音速流中, 要使速度增大,必须缩小截 面积,而在超音速流动中要使速度增大，必须增大 截面积A呢？
d


udu a
2
u 2 du 2 du 2 M u a u
(10.24)
uA const
1、亚音速时， M 2 1 ：u↑→ρ↓,但是ρ减小的更慢。为使连续方 程满足，A必须减小（收敛管道）。 2、超音速时，M 2 1 ：u↑→ρ↓,但是ρ减小的更快。为使连续方 程满足，A必须增加（扩张管道）。
(10.12)
将控制方程归纳如下:
1u1 A1 2u2 A2
p1 A1 u A1
2 1 1 A2 A1
或
uA 常数
(10.1)
2 pdA p2 A2 2u2 A2 (10.5)
u12 u2 2 h1 h2 2 2
(10.9)
(10.11) (10.12)
积分形式的准一维流动控制方程
有限控制体可如图10.7选取：
1
h1
2
h2
Fig.10.7 Finite control volume for quasi-one-dimensional flow
准一维流有限控制体
V dS
A1
V dS 0


1u1 A1
V
p2 2 RT2
h2 c pT2
只要知道1截面处的 1 , u1 , p1 , T1 , h1 ,以上五个方程就可 以确定2截面处的5个未知数 2 , u2 , p2 , T2 , h2 。
微分形式的控制方程
1、前面推到了积分形式的控制方程； 2、为研究截面积的变化对流动参数的影响，我们 需要将流动参数的变化与截面积的变化联系起来， 即： 截面积变化 流动参数变化
展开，并忽略高阶小量
Adp Au d u dA 2 uAdu 0 (10.16)
2 2
u dA uAdu Au d 0
2 2
(10.17)
(10.18) 定常、无粘、准一维流动的微分形式动量方程（欧拉方 程 )。
dp udu
[3]微分形式的能量方程:
dp a2 d
d
du dA 0 u A